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2022-09-12

Miglioramento della verifica strutturale con Parametric FEM-Toolbox

Questo articolo descrive lo sviluppo dello strumento FEM Toolbox parametrico e alcuni dei possibili flussi di lavoro con questo nuovo strumento.

1. Introduzione

Dalla fine degli anni '80 e '90 c'è stato un cambio di paradigma nell'architettura, caratterizzata da un nuovo approccio alla progettazione degli edifici in cui le forme variabili e adattive sono preferite alla tradizionale semplice ripetizione di forme rigide.

Questi nuovi requisiti, e non il contrario, hanno portato allo sviluppo di tecniche di modellazione generativa algoritmica che soddisfano questo compito in modo più efficiente rispetto alle tecniche di modellazione esplicita. Inoltre, l'euristica e l'analisi di progettazione sono diventate strettamente legate per includere l'ottimizzazione delle prestazioni verso i risultati (Schumacher [6]).

Sebbene ci siano già strumenti parametrici per l'analisi strutturale che sono stati implementati con successo nel processo di progettazione, come il plug-in Karamba3D per Grasshopper (Preisinger [4]), di solito non forniscono un risultato robusto come il software FEM commerciale; pertanto, è ancora necessaria una nuova analisi con il software FEM commerciale.

Per questi motivi, l'autore ha sviluppato un nuovo plug-in Grasshopper in collaborazione con Bollinger + Grohmann al fine di generare un'interfaccia parametrica efficace per il software FEM commerciale RFEM 5. Questo plug-in è chiamato Parametric FEM Toolbox (Apellániz [1]).

2. Flusso di lavoro

È possibile avviare una nuova applicazione RFEM con l'API, ma il Toolbox è compilato in modo che sia necessario un modello RFEM in esecuzione con cui interagire. Questa sezione descrive i flussi di lavoro che sono possibili con Toolbox a seconda che i dati siano trasferiti da Grasshopper a RFEM, nella direzione opposta, o che implichino funzionalità aggiuntive.

2.1. Flusso di lavoro da Grasshopper a RFEM

La maggior parte dei componenti Toolbox si riferisce a un particolare oggetto RFEM. La Figura 3 mostra il processo per definire un oggetto asta all'interno di Grasshopper ed esportarlo in RFEM. La maggior parte dei componenti dell'oggetto richiede come input le geometrie di Grasshopper e alcune informazioni di base, come il numero della sezione trasversale, in questo caso.

I parametri di input facoltativi più avanzati come il tipo di asta, i cardini e così via possono essere visualizzati tramite un menu estensibile. L'oggetto viene creato all'interno di Grasshopper, quindi in questo passaggio non è richiesta alcuna connessione con RFEM. Le sue proprietà possono essere visualizzate all'interno dei pannelli Grasshopper e possono essere interiorizzate all'interno dei parametri RFEM.

Per esportare i dati in RFEM, è necessario collegare questi oggetti in un componente "Imposta dati" e impostare il parametro "Esegui" su vero. Il vantaggio dell'utilizzo di un componente esplicito per il processo di esportazione è il fatto che questo processo relativamente più costoso di esportazione di oggetti in RFEM è raggruppato in un unico passaggio.

Gli output del componente "Imposta dati" sono gli stessi oggetti, ma con informazioni aggiuntive sull'indice che RFEM ha assegnato loro automaticamente, che può essere molto utile per modificare questi oggetti nei passaggi successivi, applicare carichi ad essi e così via.

2.2. Flusso di lavoro da RFEM a Grasshopper

Allo stesso modo, i dati possono essere importati da Grasshopper a RFEM tramite il componente "Ottieni dati" semplicemente specificando quali tipi di oggetti devono essere importati. Nel caso in cui non tutti gli oggetti esistenti di un certo tipo debbano essere importati, l'utente può utilizzare i componenti del filtro con diversi parametri disponibili per specificare gli oggetti esatti da importare e quindi ridurre il tempo di esecuzione richiesto.

Gli oggetti importati possono essere analizzati con gli stessi componenti dell'oggetto ma in modalità "smontaggio", quindi invece di creare un oggetto RFEM da determinati parametri di input, le proprietà dell'oggetto sono ottenute da un determinato oggetto di input. È anche possibile convertire gli oggetti RFEM direttamente nella geometria di Grasshopper lanciandoli in contenitori di Grasshopper. Questo flusso di lavoro sarà ulteriormente approfondito nelle Sezioni 3.3 e 3.5.

È anche possibile importare i risultati dei calcoli da RFEM in Grasshopper tramite i componenti "Risultati del calcolo" e "Ottimizza sezioni trasversali". Questo potrebbe essere interessante per utilizzare le opzioni di visualizzazione di Rhino per visualizzare questi risultati ed eseguire potenziali ottimizzazioni strutturali con uno qualsiasi dei solutori evolutivi disponibili in Grasshopper (Rutten [5]) utilizzando il risultati come una funzione di fitness e i parametri di input originali come geni.

Tutti i componenti dell'oggetto hanno un menu di modifica che consente di modificare le proprietà degli oggetti RFEM all'interno di questo ciclo di ottimizzazione. Sebbene questo flusso di lavoro di ottimizzazione sia più costoso dal punto di vista computazionale rispetto ad approcci simili con solutori FEM compilati all'interno dei plug-in Grasshopper, come Karamba3D, che non richiedono l'esportazione e l'importazione di dati da applicazioni esterne, potrebbe comunque essere interessante quando le opzioni di calcolo avanzate e i controlli basati sul codice sono necessario.

2.3. Funzioni aggiuntive

Attualmente, un paio di funzionalità del toolbox forniscono funzionalità aggiuntive oltre a questa logica basata sugli oggetti:

  • Estrudi aste: Attraverso un singolo componente, è possibile ottenere in Grasshopper le forme 3D degli oggetti delle aste, come mostrato nelle Figure 4 e 9. L'output della geometria sotto forma di elementi NURBS e Mesh è possibile.
  • Input per LCA: Attraverso un singolo componente, è possibile scomporre le masse e le geometrie di tutti gli oggetti RFEM in base al materiale assegnato, che può essere utilizzato come input per eseguire una valutazione del ciclo di vita da un modello RFEM come descritto nella Sezione 3.5.

3. Progetti

3.1. Ponte del Tondo

La seguente passerella a Bruxelles è una struttura composta da piastre di acciaio interconnesse. Il processo di modellazione di questa geometria complessa non ha avuto luogo nel programma di calcolo vero e proprio RFEM, ma in Rhinoceros, grazie agli strumenti più potenti di quest'ultimo software di modellazione per quanto riguarda la definizione di linee curve e l'intersezione di elementi di superficie, tra le altre caratteristiche.

Al fine di evitare la duplicità delle linee di confine di superfici adiacenti, la geometria del modello è stata esaminata anche in Grasshopper, quindi queste linee di confine hanno esattamente gli stessi punti di controllo di definizione.

Anche se ci sono funzionalità standard in RFEM per importare file geometrici da un modello di Rhino, il Toolbox ha consentito di importare non solo elementi della geometria, ma elementi strutturali reali con proprietà meccaniche e persino carichi ad essi collegati.

3.2. Padiglione My-Co

Il sistema strutturale di questo progetto di ricerca è una griglia di compensato. La definizione del modello di calcolo di questa struttura a forma libera è avvenuta in Grasshopper, che ha offerto diversi vantaggi che hanno finito per accelerare drasticamente il processo di modellazione:

  • Il calcolo di un gridshell richiede la definizione delle aste strutturali come elementi lineari in contrasto con gli elementi di superficie e di volume del modello architettonico. Questa attività di conversione è stata eseguita automaticamente tramite un algoritmo parametrico in Grasshopper, quindi la geometria di input per il modello RFEM era già stata definita in Grasshopper.
  • Ciò ha permesso di analizzare e preelaborare la geometria importata. Anche l'orientamento delle aste è stato definito automaticamente nell'algoritmo Grasshopper.
  • La definizione dei carichi del vento è stata eseguita anche in Grasshopper, al fine di definire automaticamente i settori di carico e anche i valori di carico. La casella degli strumenti prende anche in considerazione l'orientamento futuro dell'asse locale dell'asta degli elementi dell'asta in RFEM, in modo che i valori di carico siano definiti con un valore positivo o negativo a seconda dell'orientamento corretto (notare i carichi applicati in blu e viola diversi colori nella Figura 8).
  • Anche l'orientamento dei vincoli esterni nodali è stato definito automaticamente in Grasshopper, in modo che le forze di reazione lungo l'asse destro possano essere utilizzate per progettare i collegamenti delle piastre di base.
3.3. Sede di ArcelorMittal

La struttura della sede di ArcelorMittal è costituita principalmente da acciaio strutturale a vista architettonicamente. In questo progetto, il Toolbox è stato utilizzato anche in direzione da RFEM a Grasshopper (vedi Sezione 2.2) per analizzare e filtrare i risultati di calcolo di una struttura così grande e anche per visualizzare correttamente non solo i risultati del calcolo, ma anche l'estruso aste in acciaio al fine di progettare gli elementi di collegamento e produrre una visualizzazione di rendering per la relazione di calcolo (vedere Sezione 2.3).

3.4. Ampliamento della Red Bull Arena di Lipsia

L'ampliamento della Red Bull Arena di Lipsia è stata un'operazione complessa perché i nuovi elementi strutturali dovevano essere progettati considerando la struttura già esistente (vedi Fig. 6). La fondazione della nuova aggiunta è stata, quindi, progettata sotto forma di micropali, quasi tutti con inclinazioni diverse, in modo da non intaccare gli elementi di fondazione esistenti e le gallerie.

I micropali sono stati definiti in un modello di Rhino che includeva la struttura esistente, quindi importati in RFEM con il toolbox. La casella degli strumenti consente l'orientamento personalizzato dei vincoli esterni dei nodi attraverso un piano Grasshopper, che è probabilmente un approccio molto più intuitivo rispetto al flusso di lavoro standard di definirli attraverso gli angoli di orientamento.

3.5. Ottimizzazioni multimodali

Infine, va sottolineato che questo plug-in Grasshopper può essere combinato con altri plug-in Grasshopper esistenti per eseguire progettazioni e ottimizzazioni multimodali. La Figura 11 mostra un'ottimizzazione multimodale in termini sia di prestazioni strutturali che di carbonio incorporato del sistema strutturale di un edificio per uffici a Berlino, combinando il Parametric FEM Toolbox con l'integrazione di Grasshopper del One Click LCA (Apellániz, Pasanen e Gengnagel [2]).

4. Conclusione

L'implementazione di strumenti di analisi strutturale in un ambiente di programmazione visiva è già stata implementata con successo nel processo di progettazione come strumenti di calcolo sotto forma di plug-in Grasshopper. Il Parametric FEM Toolbox, tuttavia, non fornisce a Grasshopper un risolutore agli elementi finiti, ma stabilisce un collegamento con il programma agli elementi finiti RFEM, dove viene eseguita l'analisi strutturale.

Anche se questo approccio è più costoso dal punto di vista computazionale, consente l'utilizzo delle ampie possibilità di un potente software commerciale agli elementi finiti. Inoltre, i processi di revisione tra pari di ingegneria traggono vantaggio dall'uso di software di analisi consolidato e ampiamente utilizzato. Ad oggi, l'autore non è a conoscenza di nessun altro plugin per Grasshopper che implementi l'API di un programma agli elementi finiti nella misura di quello presentato in questo articolo.

Sin dal suo rilascio, il Parametric FEM Toolbox ha dimostrato la sua capacità di migliorare il processo di progettazione di numerosi progetti. Non solo quelli caratterizzati da geometrie generate algoritmicamente (Preisinger et al. [3]), ma è stato implementato anche in un'ampia gamma di progetti costituiti da sistemi strutturali non standard.

Dal suo rilascio, il feedback degli utenti ha avuto un enorme impatto sull'ulteriore sviluppo di questo strumento. Inoltre, anche Dlubal, il produttore del software di RFEM, si è messo in contatto per ottenere un feedback per lo sviluppo delle versioni future dell'API di RFEM. Questi sforzi di coordinamento tra il produttore del software e gli sviluppatori di terze parti sono essenziali per garantire uno sviluppo stabile e fornire agli utenti uno strumento di progettazione affidabile e robusto.

Autore: Diego APELLÁNIZ

B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH;
Alt-Moabit 103, 10559 Berlino;
[email protected]


Bibliografia
  1. Apellániz, D., & Vierlinger, R. (2022). Miglioramento della progettazione strutturale con un toolbox FEM parametrico. Costruzioni in acciaio, 15 (3), 188–195. https://doi.org/10.1002/stco.202200004
  2. Apellániz, D., Pasanen, P., & Gengnagel, C. (2021). Un approccio olistico e parametrico per la valutazione del ciclo di vita nelle prime fasi di progettazione. In 12th Annual Symposium on Simulation for Architecture and Urban Design (SimAUD).
  3. Priceinger, C., HEimrath, M., Orlinski, A., Hofmann, A., & Bollinger, K. (2019). Parametrica moderna nella progettazione strutturale - Relazione di lavoro Stahlbau, 88 (3), 184-193. https://doi.org/10.1002/stab.201910073
  4. Preisinger, C. (2013). Struttura di collegamento e geometria parametrica. Progettazione architettonica, 83 (2), 110–113. https://doi.org/10.1002/ad.1564
  5. Rutten, D. (2013). Galapagos: Sulla logica e i limiti dei risolutori generici. Progettazione architettonica, 83 (2), 132–135. https://doi.org/10.1002/ad.1568
  6. Shvartzberg, M., & Poole, M. (2015). La politica del parametricismo: Tecnologie digitali in architettura. Editoria Bloomsbury.